シリコンカーバイドは、SiCとも呼ばれ、純粋なシリコンと純粋な炭素で構成される 半導体 ベース材料です。SiCに窒素またはリンをドープしてn型半導体を形成したり、ベリリウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウムをドープしてp型半導体を形成したりできます。シリコンカーバイドにはさまざまな種類と純度のものがありますが、半導体グレードのシリコンカーバイドが利用されるようになったのはここ数十年のことです。
シリコンカーバイドはどのように作られるのでしょうか?
最も単純なシリコンカーバイドの製造方法は、シリカ砂と石炭などの炭素を摂氏2500度までの高温で溶かすというものです。より一般的な色の濃いシリコンカーバイドには鉄や炭素の不純物が含まれることが多いですが、純粋なSiC結晶は無色で、シリコンカーバイドが2700度で昇華すると形成されます。加熱されると、これらの結晶はレリー法と呼ばれるプロセスで、より低温のグラファイト上に堆積します。
- レリー法: このプロセスでは、花崗岩のるつぼを通常は誘導加熱によって非常に高温に加熱し、炭化ケイ素粉末を昇華させます。低温のグラファイト棒がガス混合物中に浮遊し、純粋な炭化ケイ素が析出して結晶を形成します。
- 化学蒸着法: あるいは、製造業者は、炭素ベースの合成プロセスで一般的に使用され、半導体業界で使用されている 化学蒸着法を使用して立方晶SiCを成長させます。この方法では、特殊な化学混合ガスが真空環境に入り、結合してから基板上に堆積します。
どちらのシリコンカーバイドウエハー製造方法も、成功するためには膨大なエネルギー、設備、知識が必要です。
シリコンカーバイドは何に使用されますか?SiCの利点
歴史的に、製造業者はベアリング、加熱機械部品、自動車ブレーキ、さらにはナイフ研ぎツールなどのデバイスの高温環境でシリコンカーバイドを使用しています。電子機器および半導体アプリケーションにおけるSiCの主な利点は次のとおりです。
- 120～270 W/mKの高い熱伝導率
- 低い熱膨張係数4.0x10^-6/°C
- 高い最大電流密度
これら3つの特性が組み合わさることで、SiCは優れた電気伝導性を発揮します。特に、SiCのより一般的な類似品であるシリコンと比較するとその性能は優れています。SiCの材料特性により、高電流、高温、高熱伝導性が求められる高出力アプリケーションに非常に有利です。
近年、SiCは半導体産業のキープレーヤーとなり、 MOSFET、 ショットキーダイオード高出力、高効率アプリケーションで使用するためのパワーモジュール。通常、ブレークダウン電圧が900Vに制限されるシリコンMOSFETよりも高価ですが、SiCでは約10kVの電圧しきい値が可能になります。
SiCはスイッチング損失も非常に低く、高い動作周波数をサポートできるため、特に600ボルトを超える電圧で動作するアプリケーションでは、現在比類のない効率を実現できます。適切に実装すれば、SiCデバイスはコンバーターとインバーターのシステム損失を約50%、サイズを300%、システム全体のコストを20% 削減できます。システム全体のサイズが縮小されたことで、SiCは重量とスペースが重視されるアプリケーションで非常に有用になります。
シリコンカーバイドの用途
多くのメーカーが、電気自動車、太陽エネルギーシステム、データセンターなどのアプリケーションでSiCの使用を推進しています。これらの効率重視のシステムはすべて、高電圧と高温をもたらします。高電圧での電力効率の低下によって生じる炭素排出量を削減する取り組みの一環として、他の材料よりもSiCを導入しようという動きが世界的に大きくなっています。電気自動車や太陽光発電などの最先端技術がSiCの利用を先導していますが、近いうちにより多くの従来型産業がこれに追随すると予想されます。
SiCは、自動車業界での高品質、信頼性、効率性に対する要求の結果として、自動車分野で人気が高まっています。SiCは高電圧の要求に優れた能力で応えることができます。シリコンカーバイドは、特にインバーターシステム内のシステム全体の効率を高めることで電気自動車の走行距離を延ばす可能性があり、これにより車両全体のエネルギー節約が促進されるとともに、バッテリー管理システムのサイズと重量が削減されます。
ゴールドマン・サックスは、電気自動車にシリコンカーバイドを利用することで、EVの製造コストと所有コストを1台あたり約2,000ドル削減できるとさえ予測しています。SiCは、通常kV範囲で動作するEV急速充電プロセスも最適化し、全体的なシステム損失を約30% 削減し、電力密度を30% 向上し、部品数を30% 削減できます。この効率化により、急速充電ステーションはより小型で、より高速で、よりコスト効率の高いものになります。
太陽光発電業界では、SiC対応インバータの最適化も効率とコスト削減に大きな役割を果たします。太陽光発電インバータにシリコンカーバイドを使用すると、システムのスイッチング周波数が標準シリコンの2 ～ 3倍に増加します。このスイッチング周波数の増加により、回路の磁気を削減でき、スペースとコストを大幅に節約できます。その結果、シリコンカーバイドベースのインバーター設計は、シリコンベースのインバーターに比べてサイズと重量がほぼ半分になります。太陽光発電メーカーやエンジニアが窒化ガリウムなどの他の材料よりもSiCを使用するもう1つの理由は、その堅牢な耐久性と信頼性です。シリコンカーバイドの信頼性により、太陽光発電システムは10年以上にわたって継続的に動作するために必要な安定した寿命を実現できます。
GaNとSiCの違いについて詳しくは、 をご覧ください。
シリコンカーバイドで世界を救う
シリコンカーバイド分野の主要リーダー数社は、SiCを中心とした豊富なリソースと製品を提供しています。Wolfspeedは、次のようなさまざまなシリコンカーバイド製品を提供しています。
Wolfspeed はベースSiCウェハーの最大手メーカーでもあり、SiCに関するあらゆることに精通しています。同社は、2024年までにシリコンカーバイドの実現可能性と採用を拡大することに注力しています。詳細については、同社の完全な シリコンカーバイド ソリューションの提供をご覧ください。
Silicon Labsは、電子自動車市場におけるシリコンカーバイドベースの設計をサポートすることを特に目的とした優れた絶縁ソリューションを提供しています。対象ソリューションは、バッテリー管理システムから高周波電力配分に依存するトラクション制御インバータまで多岐にわたります。Silicon Labsのソリューションの詳細については、同社が EV電力に革命を起こしている方法についてご覧ください。ローム・セミコンダクターなどの他の半導体企業も、パワーMOSFETやパワーモジュールなど、シリコンカーバイド製品の豊富なポートフォリオを誇っています。
